Spracovanie pomocou laserového lúča
Light Ampliplification by Stimulated Emission of Radiation = LASER Zosilnenie svetla s využitím stimulovanej emisie žiarenia
Laser je monochromatické a koherentné svetelné žiarenie
Princíp vzniku laserového lúča 1 – nepriepustné zrkadlo 2 – polopriepustné zrkadlo a – čerpanie aktívneho prostredia b – atómy aktívneho prostredia emitujú fotóny rôznymi smermi c – fotóny v aktívnom prostredí vybudia ďalšie atómi, fotóny neletiace kolmo na zrkadlá sú stratené d – časť fotónov odchádza ako lúč, ostatné (inverzná populácia) sa vrátia do aktívneho prostredia
Delenie laserov ●
podľa aktívneho prostredia,
●
podľa spôsobu čerpania,
●
podľa vlnovej dĺžky vyžarovaného svetla,
●
podľa pracovného módu – –
kontinuálny, pulzný.
Delenie laserov podľa aktívneho prostredia ●
pevnolátkové (napr. rubínové, neodýmove, ...)
●
kvapalinové
●
plynové: – – –
●
molekulárne (napr. excimerový laser, CO2), neutrálne plynové lasery (He – Ne), iónové lasery (ióny Ar, Xe, Kr),
polovodičové
Delenie laserov podľa spôsobu čerpania ●
●
●
●
●
opticky – výbojkou, iným laserom, slnečným svetlom, ... elektricky – elektrickým výbojom, zväzkom nabitých častíc, … chemicky – chemické alebo fotochemické reakcie, chemická väzba, … termodynamicky – ohriatie a ochladenie zmesi plynov, … jadrovou reakciou – jadrový reaktor, jadrový výbuch, ...
Delenie laserov podľa vlnovej dĺžky vyžarovaného svetla ● ● ● ●
infračervená oblasť, oblasť viditeľného svetla, ultrafialová oblasť, röntgenová oblasť.
Podmienky vzniku laserového žiarenia ●
●
Možnosť vynútenej emisie – veľkosť budiacej energie musí byť vyššia ako prah vybudenia, Vhodný materiál aktívneho prostredia: – – – – – –
vhodná sústava energetických hladín (min. 3 vrstvy), široké absorpčné pásy, vhodná doba života elektrónov (krátka na absorpčných a dlhá na metastabilných energ. hladinách), vhodná hustota aktívnych iónov (väčšia emisia energie), úzku metastabilnú energ. hladinu (vysoká monochromatičnosť), dobrú tepelnú vodivosť (chladenie lasera)
Zrkadlá optického rezonátora Sú to dve zrkadlá obrátené oproti sebe odrazovou časťou. Ich úlohou je odrážať jednotlivé fotóny inverznej populácie späť do aktívneho prostredia. Odrazivosť nepriepustného zrkadla sa blíži k 100%. Odrazivosť druhého polopriepustného zrkadla sa pohybuje od 8 do 50% pre impulzných laseroch až po 90% pri kontinuálnych laseroch. Vyrábajú sa naparovaním niekoľkých vrstiev s rôznymi indexmi lomu svetla vo vákuu. Hrúbka vrstvy je 50% vlnovej dĺžky použitého lasera.
Pevnolátkové lasery Aktívne prostredie je tvorené matricou (opticky priepustná pevná látka), ktorá je dotovaná iónmi zo skupiny prechodových prvkov (Cr3+, Nd3+) ● kryštály: – – – – ●
sklá: –
●
oxidy (Al2O3), granáty (Y3Al5O12 – YAG, Y3Ga5O5 – YGAG), alumináty (YAlO3 – YALO), iné (fluoridy, wolframáty, ...), neodýmové sklo
keramika
Rubínový laser ●
● ● ● ● ● ●
Aktívne prostredie – Al2O3 + 0,05% Cr3O2 (Cr mu dáva červenú farbu) vlnová dĺžka – 693,4 nm stredný výkon – 1W pulzný výkon – okolo 100W dĺžka impulzu – 1ms účinnosť – 0,1% použitie – meranie, holografia,
Neodýmový laser Nd – YAG ●
● ● ● ● ● ●
Aktívne prostredie – ytrium – hlinitý granát 3+ Y3Al5O12 (YAG) dopovaný neodýmom Nd vlnová dĺžka – 1,06 m stredný výkon – 600 W pulzný výkon – 2.104 kW dĺžka impulzu – 10 ms účinnosť – viac ako 10% použitie – rezanie, zváranie, vŕtanie, ...
Plynové lasery Aktívnym prostredím je plyn, alebo zmes plynov. Na čerpanie takýchto laser zvyčajne postačuje dostatočne intenzívny elektrický výboj. V technickej praxi sa najčastejšie využívajú molekulárne lasery (CO2 a excimerové)
CO2 lasery ●
● ● ● ● ● ●
Aktívne prostredie – zmes plynov CO2, N2, He plnená v kremíkovej trubici pod nízkym tlakom vlnová dĺžka – 10,6 m spôsob čerpania – vysokofrekvenčný výboj výkon – desiatky kW dĺžka impulzu – 10 ms účinnosť – viac ako 15% použitie – rezanie, zváranie, vŕtanie, ...
Excimerový laser ●
● ● ● ● ●
● ●
Aktívne prostredie – excimer – nestabilná molekula plynu (halogény, diméry, oxidy vzácnych plynov) vlnová dĺžka – 120 – 350 nm spôsob čerpania – elektrický výboj, elektrónový lúč, výkon – desiatky W dĺžka impulzu – 10 ns účinnosť – 2% budený výbojom, 10% budený elektrónovým lúčom použitie – medicína, jemné presné obrábanie len impulzný režim práce
Spôsoby spracovania materiálu pomocou lasera ●
rezanie,
●
zváranie,
●
vŕtanie,
●
sústruženie,
●
tepelné spracovanie,
●
gravírovanie a značkovanie
Materiály vhodné na spracovanie laserom malá tepelná vodivosť, ● malá tepelná kapacita, ● malá odrazivosť v oblasti vlnovej dĺžky použitého lasera, Kovy majú vo všeobecnosti vysokú odrazivosť a preto je treba použiť vhodnú povrchovú úpravu (pieskovanie, náter, ...). Po natavení sa odrazivosť zlepší. Dobre obrábatelné sú plasty, drevo, keramika, ... ●
Rezanie materiálu laserom 1 – rezaný materiál, 2 – laserový lúč, 3 – smer pohybu, 4 – prúd rezného plynu, 5 – roztavená oblasť, 6 – častice vyfúknutého materiálu, 7 – odparený materiál.
Rezanie materiálu laserom Výhody: ● vysoká kolmosť rezu, ● vysoká rýchlosť rezania (0,5 až 10 m/sec), ● jednoduché vytváranie aj zložitých krivkových rezov, ● vysoká rozmerová presnosť, ● úzky rez, ● rez bez pôsobenia mechanických síl, ● malá tepelne ovplyvnená oblasť,
Rezanie materiálu laserom Metódy rezania: ● tavné – roztavený materiál je vyfukovaný prúdom inertného plynu, ktorý sa na rezaní nepodieľa. Kvalita reznej plochy je horšia. Vznikajú ostrapky. ● oxidačné – materiál je ohriaty na zápalnú teplotu a v prúde aktívneho plynu je spálený. Oxidácia zlepší absorpciu laserového lúča a exotermická reakcia napomáha rezaniu. ● sublimačné – materiál je ohriaty na teplotu vyparovania, prúd inertného plynu odstraňuje výpary. Vysoká kvalita rezu. Tenké materiály, len impulzné systémy.
Vŕtanie pomocou lasera ●
●
●
●
Nd – YAG – otvory priemeru nad 5 m, prakticky do každého materiálu, CO2 – zvyčajne len vŕtanie nekovových materiálov, Excimerové lasery – vŕtanie kovov, jemná štruktúra, zaostrovať v rozsahu 1m, rubínový laser – tenké fólie, otvor priemeru 3 m,
Vŕtanie pomocou lasera Spôsoby vŕtania laserom: ●
●
●
jednoimpulzné vŕtanie – otvor sa vyrába na jeden laserový impulz. Používa sa Nd – YAG laser, L/D < 10, priemer otvoru nad 5 m percusové vŕtanie – niekoľko posebe idúcich impulzov (0,1 ms), trepanácia – otvor sa do obrobku vyrezáva, môže mať zložitý tvar
Vŕtanie pomocou lasera
Značenie, popisovanie a gravírovanie pomocou lasera Podľa účinku lasera na povrch predmetu môže nastať: ●
farebná zmena povrchu bez jeho natavenia,
●
natavenie povrchovej vrstvy,
●
odparenie povrchovej vrstvy,
●
odparenie povrchovej vrstvy a súčasná farebná zmena.
Značenie, popisovanie a gravírovanie pomocou lasera Povrchové značenie – hĺbka ovplyvnenej oblasti tisíciny až stotiny mm. Použitie na označovanie ložísk, dekoratívne popisovanie, identifikačné štítky, ...
Značenie, popisovanie a gravírovanie pomocou lasera Hĺbkové značenie (gravírovanie) – vzniká drážka s hĺbkou až 1mm a šírkou niekoľko desatín mm. Používa sa na stupnice, nápisy...
Sústruženie laserovým lúčom
Sústruženie laserovým lúčom
Tepelné spracovanie laserovým lúčom ●
Bez natavenia povrchovej vrstvy – povrchová vrstva sa ohreje nad teplotu fázovej premeny, tepelnou vodivosťou a tepelnou kapacitou súčiastky nastane prudké ochladenie, po ochladení v tejto vrstve vznikne tvrdá metastabilná fáza (cementit)
Tepelné spracovanie laserovým lúčom ●
S natavením povrchovej vrstvy: – –
–
glazzing – povrchová vrstva sa nataví po ochladení vznikne jemnozrnná štruktúra na povrchu. cladding – povlakovanie povrchu vrstvou iného kovu. Povrchová vrstva sa nataví len do tej miery, aby mohol prebehnúť difúzny proces a spojenie oboch materiálov. alloying – legovanie povrchu zákadného materiálu. Povrch materiálu sa roztaví, pridávaný materiál sa tiež úplne roztaví, nastane premiešanie týchto materiálov v povrchovej vrstve.
Zváranie pomocou laserového lúča ●
●
●
●
Nenastane odparovanie základného materiálu, iba jeho natavenie. Teplo sa vnáša rýchlo a presne – malá teplom ovplyvnená oblasť. Najčastejšie použitý CO2 laser, ochranný plyn Ar, He, N2 Nd – YAG laser sa používa na zváranie v jemnej mechanike.
Zabezpečenie relatívneho pohybu
Zariadenie s pohyblivým stolom (X) a s pohyblivou optikou (Y)
Zariadenie s pohyblivou optikou (XY)
Zariadenie s pohyblivou optikou (YZ)
Príklady zariadení
Príklady zariadení
Príklady zariadení
